Итоговая работа уровня «Старт»: тяговый стенд, версия 1 … ↩

1. Цели урока

Продолжительность итоговой работы — шесть часов: один час теории и пять часов практики. После урока слушатель:

• собирает тяговый стенд и подключает тензодатчик к учебной плате;
• пишет драйвер микросхемы HX711 и проверяет его тестом с имитацией микросхемы;
• выполняет тарирование и калибровку стенда эталонным грузом;
• реализует автоматическую развёртку газа с защитами по току, тяге и напряжению;
• получает характеристику двигателя и рассчитывает удельную тягу.

2. Термины и сокращения

3. Конструкция стенда

Балочный тензодатчик закрепляется одним концом в массивном основании вертикально. На свободном конце установлена площадка с двигателем, ось двигателя горизонтальна. Тяга воздушного винта изгибает балку, и тензодатчик измеряет силу напрямую, без рычага.

Указанные значения — учебный ориентир. Предел измерения и ограничение тока выбираются по техническим данным своего двигателя.

4. Драйвер HX711

Протокол обмена

HX711 соединяется с микроконтроллером двумя линиями: DOUT и SCK. Протокол реализуется программно, без аппаратного интерфейса.

1. Низкий уровень на DOUT означает, что преобразование завершено.
2. Микроконтроллер подаёт на SCK 24 импульса и после каждого переднего фронта читает один бит, начиная со старшего.
3. Дополнительные импульсы выбирают канал и усиление для следующего преобразования: один импульс — канал A с усилением 128, два — канал B с усилением 32, три — канал A с усилением 64.
4. Результат передаётся в 24-битном дополнительном коде и расширяется до 32 бит с сохранением знака.

Файл drivers/hx711.h

typedef enum {            /* число импульсов после 24 бит данных */
    HX711_A_128 = 1,      /* канал A, усиление 128 */
    HX711_B_32  = 2,      /* канал B, усиление 32 */
    HX711_A_64  = 3       /* канал A, усиление 64 */
} hx711_gain_t;

typedef struct {
    hal_pin_t    dout, sck;
    hx711_gain_t gain;
    int32_t      offset;          /* показание без нагрузки (тарирование) */
    float        grams_per_count; /* масштаб по эталонному грузу */
} hx711_t;

void    hx711_init(hx711_t *h, hal_pin_t dout, hal_pin_t sck, hx711_gain_t gain);
bool    hx711_ready(const hx711_t *h);
int32_t hx711_read_raw(const hx711_t *h);
int32_t hx711_sign_extend(uint32_t raw24);
float   hx711_to_grams(const hx711_t *h, int32_t raw);

Файл drivers/hx711.c

bool hx711_ready(const hx711_t *h)
{
    return !hal_gpio_read(h-＞dout);       /* низкий уровень DOUT: данные готовы */
}

int32_t hx711_sign_extend(uint32_t raw24)
{
    /* 24-битный дополнительный код: если старший бит 23 установлен,
     * верхний байт заполняется единицами. */
    if (raw24 & 0x800000u) raw24 |= 0xFF000000u;
    return (int32_t)raw24;
}

/* Один импульс SCK. Высокий уровень дольше 60 мкс переводит HX711 в режим
 * пониженного энергопотребления, поэтому импульс защищён от прерываний.
 * Защищается только импульс (около 1 мкс), а не всё чтение (около 50 мкс):
 * длинная критическая секция привела бы к потере байтов последовательного порта. */
static bool hx711_clock(const hx711_t *h)
{
    uint32_t irq = hal_irq_disable();
    hal_gpio_write(h-＞sck, true);
    hal_delay_us(1);
    bool bit = hal_gpio_read(h-＞dout);
    hal_gpio_write(h-＞sck, false);
    hal_irq_restore(irq);
    hal_delay_us(1);
    return bit;
}

int32_t hx711_read_raw(const hx711_t *h)
{
    uint32_t value = 0;
    for (int i = 0; i != 24; i++)               /* старший бит первым */
        value = (value * 2u) | (hx711_clock(h) ? 1u : 0u);
    for (int i = 0; i != (int)h-＞gain; i++)     /* выбор канала и усиления */
        (void)hx711_clock(h);
    return hx711_sign_extend(value);
}

float hx711_to_grams(const hx711_t *h, int32_t raw)
{
    return (float)(raw - h-＞offset) * h-＞grams_per_count;
}

Тест с имитацией микросхемы

Тест подключает к поддельной реализации портов два перехватчика. Перехватчик записи считает передние фронты на SCK, перехватчик чтения выдаёт на DOUT очередной бит заданного 24-битного числа. Так проверяются порядок битов, расширение знака, число импульсов усиления и закрытие всех критических секций.

Файл tests/unit/test_level1.c

void test_hx711_reads_negative_value_and_sets_gain(void)
{
    hx711_t h;
    hx_pattern = 0xFFFC18u;                 /* -1000 в 24-битном дополнительном коде */
    hx_bit = 0; hx_sck = false;
    fake_gpio_set_hooks(hx_read, hx_write);
    hx711_init(&h, /*dout*/ 1, /*sck*/ 2, HX711_A_64);

    TEST_ASSERT_EQUAL_INT32(-1000, hx711_read_raw(&h));
    TEST_ASSERT_EQUAL_INT(24 + 3, hx_bit);  /* 24 бита и 3 импульса усиления */
    TEST_ASSERT_FALSE(fake_gpio_get_output(2));   /* SCK оставлен в нуле */
    TEST_ASSERT_EQUAL_INT(0, fake_irq_depth);       /* все критические секции закрыты */
    TEST_ASSERT_EQUAL_INT(1, fake_irq_max_depth);   /* и не вложены друг в друга */
}

5. Тарирование и калибровка

1. Без нагрузки усредняются шестнадцать показаний, результат записывается в поле offset.
2. На площадку двигателя подвешивается эталонный груз известной массы, например 200 г, через нить и блок так, чтобы сила действовала по оси двигателя.
3. Цена кода grams_per_count равна массе груза, делённой на разность усреднённого показания и offset.
4. Линейность проверяется вторым грузом: расхождение показания с массой груза не должно превышать 1 %.

Команды консоли tare и cal 200 выполняют первые три шага, а результат сохраняется в ОЗУ до перезагрузки. Сохранение параметров во флеш-памяти появится в уроке P12.

6. Развёртка газа

Задача развёртки — конечный автомат, который выполняется планировщиком с частотой 100 Гц.

Ступени идут от 1100 мкс с шагом 50 мкс до верхнего предела, заданного командой. Переход в состояние «авария» выполняется из любого состояния по одной из причин:

• ток превысил заданный предел;
• тяга превысила 90 % предела измерения тензодатчика;
• напряжение элемента батареи опустилось до критического порога из урока S9;
• от тензодатчика нет данных дольше 100 мс;
• в консоль поступил любой символ.

Синхронный журнал

Строка журнала записывается при каждом новом показании HX711, то есть 80 раз в секунду. В строку попадают последние значения газа, тока и напряжения. Строка занимает около 40 байт, поток составляет около 3200 байт в секунду, что меньше трети пропускной способности порта на скорости 115 200 бод.

time_ms,throttle_us,thrust_g,current_a,voltage_v
12000,1300,54.2,1.12,16.33
12012,1300,54.9,1.13,16.33

7. Обработка на компьютере

Сценарий на языке Python делит журнал на ступени, отбрасывает первые 0,5 секунды каждой ступени, пока двигатель разгоняется, и усредняет остальное. Удельная тяга вычисляется как отношение тяги к электрической мощности \( P = U \cdot I \).

Файл tools/thrust_report.py

def steps(rows):
    """Делит журнал на ступени газа и усредняет установившуюся часть каждой."""
    out, group = [], []
    for r in rows + [None]:
        if group and (r is None or r["throttle_us"] != group[0]["throttle_us"]):
            t0 = group[0]["time_ms"]
            steady = [g for g in group if g["time_ms"] - t0 ＞= SETTLE_MS]
            if steady:
                n = len(steady)
                thrust = sum(g["thrust_g"] for g in steady) / n
                power = sum(g["current_a"] * g["voltage_v"] for g in steady) / n
                out.append({"throttle_us": group[0]["throttle_us"], "thrust_g": thrust,
                            "power_w": power, "g_per_w": thrust / power if power ＞ 0.5 else 0.0})
            group = []
        if r is not None:
            group.append(r)
    return out

python3 tools/thrust_report.py sweep.csv --png thrust.png
| Газ, мкс | Тяга, г | Мощность, Вт | Удельная тяга, г/Вт |
|---|---|---|---|
| 1300 | 54 | 13.7 | 3.92 |
| 1500 | 150 | 45.5 | 3.30 |

Значения в примере получены на модельных данных. Удельная тяга обычно наибольшая на малом газе и снижается с ростом мощности: это закономерность, которую слушатель проверяет на своём двигателе.

8. Итоговая проверка уровня

Уровень «Старт» считается пройденным, когда в репозитории слушателя выполнены все условия.

1. Все модульные тесты уровня, включая скрытые, пройдены.
2. Проверка правил архитектуры make arch-check пройдена.
3. Прошивка собирается без предупреждений, изменения отмечены меткой v0.9.
4. Журнал развёртки и отчёт docs/s10_report.md с таблицей и графиками добавлены в репозиторий.
5. Анализатор журнала на сервере подтверждает, что тяга растёт с газом, ступени не короче двух секунд, а аварийных остановок по причине отсутствия данных нет.

9. Практика

10. Как это сделано в больших прошивках

• В Betaflight вкладка двигателей конфигуратора отправляет сообщение MSP_SET_MOTOR. Обработчик в файле msp.c записывает значения в массив motor_disarmed[], то есть они действуют только при заблокированных двигателях: проверка двигателей и полёт не могут выполняться одновременно.
• В INAV обработчик MSP_SET_MOTOR в файле fc_msp.c также записывает значения в массив motor_disarmed[], а модуль mixer.c подаёт их на двигатели только в заблокированном состоянии.
• В ArduCopter перед проверкой двигателей функция mavlink_motor_control_check в файле motor_test.cpp выполняет до шести проверок: плата инициализирована, проверки двигателей пройдены, аппаратура управления откалибрована (если это требуется), аппарат на земле, защитный выключатель нажат, аварийная остановка не активна. Длительность проверки ограничена 600 секундами.
• В PX4 команда actuator_test set задаёт значение выхода на время, указанное параметром -t. Без этого параметра команда работает в интерактивном режиме и снимает значение после нажатия клавиши Enter — тот же принцип, что и остановка развёртки BeeFC любым символом.

11. Проверьте себя

1. Как HX711 сообщает о готовности данных и как выбирается усиление?
2. Почему в драйвере HX711 от прерываний защищается каждый импульс, а не всё чтение?
3. Как рассчитывается цена кода тензодатчика?
4. Почему первые 0,5 секунды каждой ступени не учитываются при обработке?
5. Почему в Betaflight значения из вкладки двигателей действуют только при заблокированных двигателях?

12. Чек-лист самопроверки

• Тесты драйвера HX711 пройдены
• Стенд откалиброван, линейность проверена вторым грузом
• Каждая причина аварийной остановки проверена тестом и на стенде без воздушного винта
• Получена характеристика двигателя, построены графики
• Изменения отмечены меткой v0.9, отчёт добавлен в репозиторий

13. Источники

1. Техническое описание HX711.
2. Проверка двигателей в ArduCopter.
3. Обработчик сообщений MSP в Betaflight.
4. Документация ArduPilot: подключение регуляторов и двигателей.
5. Открытый тяговый стенд на Arduino с тензодатчиком и HX711 (Printables).
6. Промышленные тяговые стенды Tyto Robotics.

14. Что дальше

• Следующий уровень: «Полётный контроллер», урок P1. Интерфейс SPI и драйвер инерциального датчика ICM-42688-P.
• Полный перечень уроков приведён в статье «Курс BeeFC: содержание уровня „Старт“».

Проверено: 13.10.2026